在骨科植入物领域，金属螺丝因其出色的机械强度和生物相容性，一直是骨折固定不可或缺的工具。然而，传统实心设计的金属螺丝常常面临应力遮挡和术后松动的问题，严重影响其长期固定效果。近期，一项由吉林大学第二医院骨科团队主导的研究，在骨科金属螺丝的拓扑结构优化上取得了显著进展，特别是引入了四种不同的增材制造多孔结构——Fischer-Koch S、Octet、Diamond和Double Gyroid，这些结构在提高骨再生能力方面展现出巨大潜力。在这项研究中，AbMole的CCK-8试剂盒等关键实验工具发挥了重要作用，助力科研人员精准评估不同结构对骨细胞增殖的影响。
AbMole CCK试剂盒（Cell Counting Kit），为MTT 法的替代方法，是一种基于WST(水溶性四唑盐，化学名：2-(2-甲氧基-4-硝苯基)-3-(4-硝苯基)-5-(2,4-二磺基苯)-2H-四唑单钠盐)的广泛应用于细胞增殖和细胞毒性的快速高灵敏度检测试剂盒。
AbMole CCK-8试剂盒 (Cell Counting Kit-8)
金属螺丝在骨科领域应用广泛，从简单的撕脱性骨折到复杂的横断性骨折和斜形骨折，甚至作为椎体间融合器和髋臼杯等骨科植入物的固定组件。然而，由于金属螺丝的弹性模量远高于骨组织，当螺丝植入体内后，应力会更多地集中在螺丝上，而非周围的骨组织，导致应力遮挡现象的发生。长期应力遮挡不仅会导致周围骨组织因缺乏足够的机械刺激而逐渐退化，还可能引发骨质疏松甚至病理性骨折，严重威胁螺丝的长期固定效果。
为了应对上述挑战，研究团队决定通过引入增材制造多孔结构来优化金属螺丝的拓扑结构。增材制造技术以其高度的设计自由度和材料利用率，为复杂多孔结构的实现提供了可能。团队选择了四种具有代表性的多孔结构——Fischer-Koch S、Octet、Diamond和Double Gyroid，其中前三种属于三重周期极小曲面（TPMS）拓扑类别，而Octet则属于原型拓扑类别。这些结构不仅在机械性能上具备可调性，还能模仿自然骨小梁的微观结构，有助于骨细胞的生长和分化。
1. 模型设计与分析
研究首先通过Mathematica软件设计了四种结构的代表性体积单元（RVE），并基于这些单元构建了用于体外和体内实验的支架模型。为了验证这些结构的机械性能，团队使用Comsol软件进行了应力分析，结果显示这些多孔结构在承受压缩和扭矩载荷时均表现出良好的应力分布和机械强度。
2. 支架制备与表征
利用电子束熔融（EBM）3D打印技术，团队成功制备了具有四种不同多孔结构的Ti6Al4V合金支架。扫描电子显微镜（SEM）和能量色散光谱仪（EDS）分析表明，打印出的支架保持了良好的元素组成和微观拓扑结构，且表面粗糙度相似，确保了实验结果的准确性。
3. 机械性能测试
通过电子万能试验机对体内支架进行压缩测试，结果显示引入多孔结构后，支架的压缩模量和屈服强度显著降低，但仍保持了足够的机械强度以满足骨科植入物的需求。
4. 体外细胞实验
为了评估四种结构对骨细胞增殖和分化的影响，团队选用了小鼠成骨前体细胞（MC3T3-E1）进行了一系列体外实验。Live/Dead细胞染色和CCK-8增殖实验显示，Fischer-Koch S结构在促进细胞增殖方面表现最为优异。FITC-phalloidin/DAPI染色则进一步揭示了Fischer-Koch S和Double Gyroid结构能够促进细胞骨架的伸展和细胞间的相互作用。
5. 体内生物相容性评估
通过在新西兰白兔股骨远端植入支架并进行为期6周和12周的体内实验，团队利用微计算机断层扫描（micro-CT）和组织切片分析评估了新骨生成情况。结果显示，Fischer-Koch S、Diamond和Double Gyroid结构在促进骨再生方面表现尤为突出，其中Fischer-Koch S结构的效果最为显著。
通过一系列详尽的体内外实验，研究团队发现Fischer-Koch S结构在促进骨细胞增殖和分化、加速骨再生方面展现出显著优势。这一发现不仅为骨科金属螺丝的拓扑结构优化提供了新的思路，也为未来开发具有更好生物相容性和骨整合能力的骨科植入物奠定了坚实基础。
本研究的意义在于，通过引入增材制造多孔结构，特别是Fischer-Koch S结构，有效降低了金属螺丝的弹性模量，减轻了应力遮挡现象，并显著提升了其促进骨再生的能力。这不仅有助于延长金属螺丝的固定寿命，减少二次手术的需求，还能为患者带来更好的治疗效果和生活质量。
展望未来，随着增材制造技术的不断发展和材料科学的持续进步，我们有理由相信，基于TPMS结构的骨科植入物将在临床上得到更广泛的应用。同时，对于不同拓扑结构在促进骨再生机制方面的深入研究，也将为设计更加智能、高效的骨科植入物提供重要参考。
在这项研究中，AbMole的CCK-8试剂盒等实验工具为科研人员提供了精确、可靠的实验手段，助力团队在骨科金属螺丝的拓扑结构优化方面取得了突破性进展。未来，随着研究的深入和技术的成熟，我们有理由期待更多创新骨科植入物的诞生。
